(57)【要約】      （修正有）【課題】起動／停止を繰り返しても、回転環及び固定環の摩耗が少なく、両者間のシール性能を長時間維持することができるドライガスシール装置を提供する。【解決手段】固定部２に固定され円筒形内面１１を有する固定環１０と、回転体１に固定されこれと共に回転する回転環ベース１２と、回転軸Ｚ−Ｚに対し周方向に分割され、全体として円筒形内面１１の内側に位置する中空円筒形の回転環を構成する複数の回転環セグメント１４と、各回転環セグメントを半径方向内方に引っ張る弾性体１６とを備える。固定環１０の円筒形内面１１又は回転環セグメント１４の外面に、回転体１の回転により両者間に動圧効果によりクリアランスを形成する動圧溝が設けられている。【選択図】図２
2010255807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸Ｚ−Ｚを中心に回転する回転体と固定部との間をドライ状態でシールするドライガスシール装置であって、
前記固定部に固定され円筒形内面を有する固定環と、
前記回転体に固定されこれと共に回転する回転環ベースと、
回転軸Ｚ−Ｚに対し周方向に分割され、全体として前記円筒形内面の内側に位置する中空円筒形の回転環を構成する複数の回転環セグメントと、
前記各回転環セグメントを半径方向内方に引っ張る弾性体と、を備え、
前記固定環の円筒形内面又は回転環セグメントの外面に、回転体の回転により両者間に動圧効果によりクリアランスを形成する動圧溝が設けられている、ことを特徴とするドライガスシール装置。
【請求項２】
前記回転環セグメントの周方向中央位置にそれぞれ位置し、前記回転環ベースに固定された複数の回転環ガイドを備える、ことを特徴とする請求項１に記載のドライガスシール装置。
【請求項３】
前記回転環セグメントの周方向端面間にそれぞれ設けられ、その間をシールする周方向端面シール部材、又は
前記回転環ベースの内面の低圧側に設けられ、回転環セグメントの軸方向端面との間をシールする軸方向端面シール部材を備える、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のドライガスシール装置。
【請求項４】
前記回転環セグメントはその周方向端面に、外周面に沿って延びる外周面シール溝と、軸方向端面に沿って延びる軸方向端面シール溝とを有し、
前記周方向端面シール部材は、隣接する回転環セグメントの外周面シール溝に周方向両端が嵌合する外周面シール板と、隣接する回転環セグメントの軸方向端面シール溝に周方向両端が嵌合する軸方向端面シール板とからなる、ことを特徴とする請求項３に記載のドライガスシール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転環及び固定環の摩耗が少ないドライガスシール装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ドライガスシール装置とは、圧縮空気、燃焼ガス、等のガスを、潤滑液を用いないドライ状態でシール（密封）する装置であり、例えば産業用の圧縮機において、回転体と固定部との間をシールするために用いられる。
【０００３】
従来のドライガスシール装置には、種々の構造のものが既に提案されている（例えば、特許文献１〜３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−６１７８１号公報、「ドライガスシール」
【特許文献２】特開平１１−３０４００６号公報、「ドライガスシール装置」
【特許文献３】特開２００４−１９０７８３号公報、「ドライガスシール式回転機械の起動方法およびドライガスシール式回転機械」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１は、従来のドライガスシール装置の一般的な構成図である。この図において、１は回転体（例えば、回転軸）、２は固定部材、３は回転環、４は固定環、５は圧縮バネ、６はシール部材（例えばＯリング）である。
【０００６】
図１において、回転体１は、回転環３と共に回転軸Ｚ−Ｚを中心に回転する。また、固定環４は、軸方向に移動可能に構成され、固定部材２と固定環４の間をシール部材６でシールしながら、圧縮バネ５により固定部材２から回転環３に向けて押し付けられている。また、回転環３の固定環４との接触面には、図示しない動圧溝が設けられ、両者間の相対運動により、回転時には動圧効果でその間に微小なクリアランスが形成されるようになっている。
この構成により、回転体１の回転時には、回転環３と固定環４の接触面に微小なクリアランスが形成され、その間のガス漏れと摩耗を最小限に抑えることができる。
【０００７】
上述したように、従来のドライガスシール装置では、回転体１の回転時には回転環３と固定環４の接触面に微小なクリアランスが形成される。しかし、回転体１の静止時及び低速回転時には回転環３と固定環４が接触しており、摩耗が発生する。そのため、起動／停止の多い航空用ガスタービンに適用した場合、この摩耗による損傷が激しく、これにより動圧効果が低下し、さらなる摩耗による損傷が増加し、最悪の場合破壊に至る可能性があると予想される。
【０００８】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、起動／停止を繰り返しても、回転環及び固定環の摩耗が少なく、両者間のシール性能を長時間維持することができるドライガスシール装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、回転軸Ｚ−Ｚを中心に回転する回転体と固定部との間をドライ状態でシールするドライガスシール装置であって、
前記固定部に固定され円筒形内面を有する固定環と、
前記回転体に固定されこれと共に回転する回転環ベースと、
回転軸Ｚ−Ｚに対し周方向に分割され、全体として前記円筒形内面の内側に位置する中空円筒形の回転環を構成する複数の回転環セグメントと、
前記各回転環セグメントを半径方向内方に引っ張る弾性体と、を備え、
前記固定環の円筒形内面又は回転環セグメントの外面に、回転体の回転により両者間に動圧効果によりクリアランスを形成する動圧溝が設けられている、ことを特徴とするドライガスシール装置が提供される。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記回転環セグメントの周方向中央位置にそれぞれ位置し、前記回転環ベースに固定された複数の回転環ガイドを備える。
また、前記回転環セグメントの周方向端面間にそれぞれ設けられ、その間をシールする周方向端面シール部材、又は
前記回転環ベースの内面の低圧側に設けられ、回転環セグメントの軸方向端面との間をシールする軸方向端面シール部材を備える。
【００１１】
また、前記回転環セグメントはその周方向端面に、外周面に沿って延びる外周面シール溝と、軸方向端面に沿って延びる軸方向端面シール溝とを有し、
前記周方向端面シール部材は、隣接する回転環セグメントの外周面シール溝に周方向両端が嵌合する外周面シール板と、隣接する回転環セグメントの軸方向端面シール溝に周方向両端が嵌合する軸方向端面シール板とからなる。
【発明の効果】
【００１２】
上記本発明の構成によれば、回転体の停止時、起動時、及び低速回転時には、弾性体により各回転環セグメントが内方に引っ張られるので、回転環セグメントと固定環の間にクリアランスが確保され、その間の摩耗を防止することができる。
また、回転上昇時に遠心力によりクリアランスが狭まるが、動圧溝による動圧効果と弾性体の引っ張り力により回転環セグメントと固定環の間にクリアランスが維持されるので、その間の摩耗を防止することができる。
さらに、高速回転の状態が保持される場合には巻き込んだエアの動圧効果により、最適なクリアランスが保たれ、良好なシール性能が発揮される。
従って、回転体の起動から停止までのすべての運転状態において、固定環と回転環セグメントの接触を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来のドライガスシール装置の一般的な構成図である。
【図２】本発明によるドライガスシール装置の側面断面図である。
【図３】図２のＡ-Ａ線における断面図である。
【図４】図２のＢ-Ｂ線における矢視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１５】
図２は、本発明によるドライガスシール装置の側面断面図であり、図３は、図２のＡ-Ａ線における断面図、図４は図２のＢ-Ｂ線における矢視図である。    
【００１６】
本発明のドライガスシール装置は、回転軸Ｚ−Ｚを中心に回転する回転体１と固定部２の間に存在するガス（例えば二次空気）をドライ状態でシールする装置である。
図２〜図４において、本発明のドライガスシール装置は、固定環１０、回転環ベース１２、複数の回転環セグメント１４、弾性体１６、複数の回転環ガイド１８、周方向端面シール部材２０及び軸方向端面シール部材２２を備える。
図２では左側がシールするガスの高圧側、右側が低圧側である。
【００１７】
固定環１０は、固定部２に気密に固定されたリング状部材であり、その内面に円筒形内面１１を有する。
この例において、円筒形内面１１は、凹凸のない平滑な円筒面であるが、後述する動圧溝１５を設けてもよい。
【００１８】
回転環ベース１２は、回転体１に固定され、回転体１と共に回転軸Ｚ−Ｚを中心に回転する。
この例において、回転環ベース１２は、回転体１の外面に気密に固定されたリング状部材１２ａと、その両端部に位置し半径方向に延びる２つ鍔状部材１２ｂとからなり、２つ鍔状部材１２ｂの間に外側が開いた空間を形成している。
【００１９】
図３に示すように、複数（この例では１２個）の回転環セグメント１４は、回転軸Ｚ−Ｚに対し周方向に分割され、全体として円筒形内面１１の内側に位置する中空円筒形の回転環を構成している。
この例において、回転環セグメント１４は周方向に等分割され、かつその端面は分割面からオフセットし、その間に周方向端面シール部材２０が収納されている。
なお、分割面からのオフセットは必須ではなく、周方向端面同士が接触した状態で、全体として中空円筒形の回転環を構成してもよい。
【００２０】
弾性体１６は、この例では、コイルバネであり、各回転環セグメント１４の内面と回転環ベース１２のリング状部材１２ａとを連結し、各回転環セグメント１４を半径方向内方に引っ張る。この引っ張り力は、回転体の停止時、起動時、及び低速回転時に、各回転環セグメント１４の外面が固定環１０の円筒形内面１１と接触しないように設定する。
【００２１】
この例において、弾性体１６は、各回転環セグメント１４に１つずつ、回転環セグメントと同数が設けられている。しかし、本発明はこの構成に限定されず、複数の回転環セグメント１４を１つの弾性体１６で引っ張ってもよい。また、例えばリング状のコイルバネを用いて、回転環セグメント１４の全体を１つの弾性体で半径方向内方に引っ張ってもよい。さらに弾性体１６は、同様の機能を有する限り、その他のもの、例えば磁石、弾性体であってもよい。
【００２２】
複数（この例では１２個）の回転環ガイド１８は、回転環セグメント１４の周方向中央位置にそれぞれ位置し、回転環ベース１２の鍔状部材１２ｂの内面に固定され、各回転環セグメント１４が周方向に移動せず、かつ各回転環セグメント１４を半径方向に移動可能に案内する。
なお、回転環ガイドは、回転環セグメント１４の周方向移動を防止し、かつこれを半径方向に移動可能に案内できる限りで、他の構造（例えば、半径方向スプライン）であってもよい。
【００２３】
周方向端面シール部材２０は、回転環セグメント１４の周方向端面間にそれぞれ設けられ、その間をシールする。
【００２４】
本発明において、複数の回転環セグメント１４は、回転軸Ｚ−Ｚに対し周方向に分割され、全体として中空円筒形の回転環を構成するので、回転環セグメント１４の周方向端面の間に隙間があるので、この隙間を通してガス漏れが発生する。
しかし、本発明では、回転環セグメント１４の周方向端面の間をシールする周方向端面シール部材２０を備えるので、その間のガス漏れを最小限に抑えることができる。
【００２５】
図２及び図４において、回転環セグメント１４はその周方向端面に、外周面に沿って延びる外周面シール溝１４ａと、軸方向端面に沿って延びる軸方向端面シール溝１４ｂとを有する。
また、周方向端面シール部材２０は、隣接する回転環セグメント１４の外周面シール溝１４ａに周方向両端が嵌合する外周面シール板２０ａと、隣接する回転環セグメント１４の軸方向端面シール溝１４ｂに周方向両端が嵌合する軸方向端面シール板２０ｂとからなる。
外周面シール溝１４ａの断面形状は、外周面シール板２０ａよりも大きく、軸方向端面シール溝１４ｂの断面形状は、軸方向端面シール板２０ｂよりも大きく、それぞれゆるい嵌合となっている。
【００２６】
この構成により、外周面シール板２０ａ及び２枚の軸方向端面シール板２０ｂにより、回転環セグメント１４の周方向端面間をシールしながら、回転環セグメント１４を半径方向に移動可能にすることができる。
【００２７】
軸方向端面シール部材２２は、この例では回転環ベース１２の鍔状部材１２ｂの内面の低圧側に設けられたＯリングであり、回転環セグメント１４の軸方向端面との間をシールする。Ｏリングは好ましくは弾性材料（例えば、耐熱ゴム、シリコン）からなる。
【００２８】
回転環セグメント１４の周方向端面の間と軸方向端面シール部材２２との間に隙間があるので、この隙間を通してガス漏れが発生するが、上述した構成により、回転環ベース１２の鍔状部材１２ｂの内面の低圧側に設けられたＯリングを備えるので、Ｏリングの弾性により、上記隙間におけるガス漏れを最小限に抑えることができる。
【００２９】
さらに、図４に示すように、この例では、回転環セグメント１４の外面に、回転体１の回転により両者（固定環１０と回転環セグメント１４）の間に動圧効果によりクリアランスを形成する動圧溝１５が設けられている。なお、この動圧溝１５を、固定環１０の円筒形内面１１に設けてもよい。
このとき、回転環セグメント１４は高圧側と低圧側の圧力差により、低圧側（右側）に押し付けられることになり、Ｏリングに押し付けられることでガス漏れを防ぐ。
【００３０】
上述した本発明の構成によれば、回転体１の停止時、起動時、及び低速回転時には、弾性体１６により各回転環セグメント１４が内方に引っ張られるので、回転環セグメント１４と固定環１０の間にクリアランスが確保され、その間の摩耗を防止することができる。
また、回転上昇時に遠心力によりクリアランスが狭まるが、動圧溝１５による動圧効果と弾性体１６の引っ張り力により回転環セグメント１４と固定環１０の間にクリアランスが維持されるので、その間の摩耗を防止することができる。
さらに、高速回転が維持された状態では巻き込んだエアの動圧効果により、最適なクリアランスが保たれ、良好なシール性能が発揮される。
従って、回転体１の起動から停止までのすべての運転状態において、固定環１０と回転環セグメント１４の接触を回避することができる。
【００３１】
また、本発明の構成により、従来のラビリンスシールと比較した場合、同一条件で、ラビリンスシールのガス漏れ量の約１／６まで漏れ量を低減できることが、シミュレーションにより確認された。
すなわち、本発明の構成により、良好なシール性能を発揮しつつ、起動と停止を繰り返しても、回転環及び固定環の摩耗が少なく、両者間のシール性能を長時間維持することができる。
【００３２】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【符号の説明】
【００３３】
１  回転体、２  固定部、
１０  固定環、１１  円筒形内面、
１２  回転環ベース、
１２ａ  リング状部材、１２ｂ  鍔状部材、
１４  回転環セグメント、
１４ａ  外周面シール溝、１４ｂ  軸方向端面シール溝、
１５  動圧溝、１６  弾性体、
１８  回転環ガイド、２０  周方向端面シール部材、
２０ａ  外周面シール板、２０ｂ  軸方向端面シール板、
２２  軸方向端面シール部材（Ｏリング）
【図１】
2010255807.tif 000003
【図２】
2010255807.tif 000004
【図３】
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【図４】
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